Najwyższa jakość połączeń złączy u producentów i użytkowników

Abb. 1: Arbeiten in einer Reinraumumgebung / Fig.1: Praca w środowisku czystej strefy

Abb. 2: Optymalne parametry spawania dla określonej partii podstawowego materiału.

Fig. 2: Optymalne parametry spawania dla konkretnej partii materiału.

Abb. 3: Instrukcja spawalnicza (Welding Procedure Specification) do produkcji konkretnego elementu. / Fig. 3: Welding Procedure Specification for the production of a specific component.

Abb. 3: Schweißanweisung (Welding Procedure Specification) für die Herstellung eines bestimmten Bauteils. / Fig. 3: Welding Procedure Specification für die Herstellung eines bestimmten Bauteils.

Abb. 4: Zamknięta głowica spawalnicza orbitalna TIG / Fig. 4: Closed orbital welding head

Abb. 5: Wyposażenie do pracy w czystym pomieszczeniu: zamknięta głowica do spawania orbitalnego TIG i panel dotykowy znajdują się wewnątrz strefy czystego pomieszczenia, podczas gdy źródło prądu spawalniczego jest umieszczone na zewnątrz w strefie serwisowej. / Fig. 5: Wyposażenie do spawania z zamkniętą głowicą orbitalną TIG i ekranem dotykowym wewnątrz pomieszczenia czystego, a źródło zasilania na zewnątrz w strefie serwisowej.

Abb. 6: Formularz „Raport skarg dotyczących spawalności” udostępniony przez Dockweiler w przypadku problemów ze spawaniem. / Rys. 6: Raport skarg dotyczących spawalności od Dockweiler.

Spawalność jako istotna cecha produktu

Jako producent prefabrykowanych elementów do wysokiej czystości systemów rur ze stali nierdzewnej, niemiecka firma rodzinna Dockweiler zajmuje wiodącą pozycję na świecie w budowie urządzeń w dziedzinach półprzewodników, farmacji, biotechnologii i fotowoltaiki. Duża część oferowanych komponentów powstaje poprzez zespawanie pojedynczych elementów, dlatego technika spawania jest w ramach filozofii firmy traktowana z dużym znaczeniem.

Podobnie jak większość przedsiębiorstw, które polegają na skutecznym zastosowaniu swoich procesów spawalniczych, Dockweiler stosuje systematyczne kontrole wszystkich przyjmowanych półproduktów, jednak w tym przypadku nie tylko musi zapewnić doskonałą jakość własnoręcznie wykonywanych połączeń, ale także musi umożliwić klientom produkcję spoin zgodnych z najostrzejszymi wymaganiami.

Komponenty należące do asortymentu, takie jak rury, łuki rur, odgałęzienia, redukcje czy pokrywy, a także bardziej złożone zespoły, takie jak kolektory, zawory itp., są zaprojektowane do użycia jako część systemu rurowego do zaopatrywania zaawansowanych technologicznie zakładów produkcyjnych w wysokopure płyny lub gazy.

Wszechstronna kontrola przyjmowanych półproduktów

W Dockweiler wszystkie przyjmowane części są poddawane szczegółowej kontroli wejściowej. Półprodukty są akceptowane tylko wtedy, gdy towarzyszą im odpowiednie świadectwa jakości, chemiczny skład podstawowych surowców jest regularnie analizowany i musi spełniać obowiązujące normy lub określone wytyczne, tolerancje wymiarowe muszą mieścić się w wyznaczonych granicach, a właściwości mechaniczne oraz odporność na korozję muszą osiągać co najmniej ustalone wartości.

Po pomyślnym przejściu kontroli wejściowej, elementy są badane pod kątem ich właściwości spawalniczych. W większości przypadków wystarczy fachowcom wizualna ocena kilku próbnych spawów wykonanych uprzednio, aby ustalić parametry programowania dla spawania orbitalnego próbnych próbek. Jakość tych próbnych spawów poddawana jest szczegółowym badaniom: dokładnej ocenie wizualnej obszaru spawu, geometrii spawu na wewnętrznej i zewnętrznej stronie na całym obwodzie rury, stanowi powierzchni spawu, kolorom po nagrzaniu itp. W razie potrzeby, na podstawie przekrojów metallograficznych, ustala się, czy osiągnięto wystarczające i równomierne przebicie w każdym położeniu, jak wygląda strefa wpływu ciepła oraz czy doszło do tworzenia się dużych ziaren lub rozwarstwień. Wraz z właściwościami mechanicznymi połączenia spawalniczego i odpornością na korozję, uzyskane wyniki służą do ostatecznej optymalizacji programowanych parametrów spawania. Ponieważ ewentualne zwiększenie prędkości spawania ze względu na małe średnice rur nie wpływa ekonomicznie na skrócenie czasu łuku, optymalizacja może być przeprowadzona wyłącznie w celu uzyskania jak najlepszej jakości spoin. Wypełniony formularz z parametrami spawania dla konkretnego spoiwa z badanej partii surowca jest przedstawiony na rys. 2.

Wewnętrzna norma zakładowa spełnia najostrzejsze wymagania

Teraz należy ustalić, czy może niektóre lub wszystkie badane materiały wstępne spełniają wewnętrzną normę zakładową Dockweiler. Norma ta została opracowana do użytku wewnętrznego i obejmuje najostrzejsze wymagania spośród obowiązujących norm i przepisów. Elementy wyprodukowane zgodnie z tą normą mogą być później dostarczane wszystkim klientom, niezależnie od specyfikacji obowiązujących w danym przypadku.

Pozostałe materiały wstępne są oceniane według bardziej rozbudowanego systemu klasyfikacji i otrzymują oceny od 1 do 5. Na podstawie tych ocen podejmuje się decyzję o najlepszym zastosowaniu danego surowca. Podczas gdy niektóre części, ze względu na właściwości obróbki, mogą być bardziej odpowiednie do zastosowań w farmacji, inne mogą mieć idealne warunki do użycia w produkcji półprzewodników. W Dockweiler doświadczenie pokazuje, że dla materiałów związanych z zastosowaniami w półprzewodnikach tylko ocena 3 lub lepsza jest dopuszczalna.

Zaawansowana technika spawalnicza

Odpowiednia jakość materiałów i właściwa geometria używanych elementów są nieodzowne do uzyskania doskonałej jakości spoin, ale sam proces spawania, wyposażenie, materiały eksploatacyjne, warunki pracy itp. muszą być wybrane z równie dużą starannością.

Spawanie TIG (WIG) należy do najbardziej odpowiednich metod łączenia wrażliwych stali nierdzewnych lub stopów niklu. W tym procesie nie wydzielają się dymy spawalnicze, nie dochodzi do rozprysków, spoiny mają gładkie i jednolite powierzchnie, a parametry spawania mogą być szeroko dostosowywane, aby nie negatywnie wpływać na właściwości podstawowych materiałów.

Jak każdy, kto próbował samodzielnie, potwierdzi, łączenie cienkościennych rur o małych średnicach za pomocą ręcznego procesu TIG jest niezwykle trudne i nieprzyjemne. Tylko wykwalifikowany, wysoko zmotywowany personel spawalniczy potrafi osiągnąć pożądane rezultaty; brak powtarzalności i ekstremalnie niska wydajność to tylko niektóre powody, dla których należy unikać tego wariantu metody, jeśli to możliwe.

Orbitalne spawanie TIG pozwala na trwałe zwiększenie wydajności przy łączeniu wysokiej jakości rur i utrzymanie jednolitego, wysokiego standardu jakości spoin. Włóżko spawalnicze TIG jest prowadzone za pomocą odpowiedniego urządzenia wokół obwodu rur, które mają być połączone. Optymalne wartości parametrów spawania są wcześniej zaprogramowane i zapisane w jednostce sterującej urządzenia. Operator urządzenia spawalniczego postępuje zgodnie z instrukcjami zawartymi w dokumentacji procesu spawania (Welding Procedure Specification, WPS), pełna instrukcja spawania (WPS) dla łączenia trójnika jest przedstawiona na rys. 3. Aby przygotować spawanie, operator musi ustawić głowicę orbitalnego spawania na elementach do połączenia, a następnie uruchomić cykl spawania. Sam proces spawania przebiega całkowicie automatycznie, bez konieczności ingerencji operatora; po zakończeniu cyklu operator zdejmie głowicę orbitalną i może zająć się kolejnym zadaniem.

Łączenie cienkościennych rur bez dodatku materiału wypełniającego jest możliwe, końce rur są topione przez łuk elektryczny, tworząc pożądaną spoinę. Przykład specjalnie opracowanej do tego celu zamkniętej głowicy orbitalnego spawania przedstawiono na rys. 4. Cały obszar spawu znajduje się wewnątrz komory utworzonej przez głowicę spawalniczą. Przed, w trakcie i po spawaniu komora jest napełniona gazem obojętnym, co skutecznie chroni płynne metale z kąpieli topienia i otaczającą strefę wpływu ciepła przed niepożądanymi reakcjami z tlenem z powietrza. Sama głowica spawalnicza składa się z elektrody wolframowej zamocowanej na obrotowym pierścieniu, który jest prowadzony wzdłuż spoiny.

Sprzęt spawalniczy odpowiedni do zastosowania w czystych pomieszczeniach

Aby sprostać wymaganiom jakościowym, elementy montażowe produkowane przez Dockweiler są wytwarzane w warunkach czystego pomieszczenia, jak pokazano na rys. 1. W pomieszczeniu tym panuje kontrolowana atmosfera, tzn. liczba i wielkość cząstek unoszących się w powietrzu są ograniczone do określonych wartości granicznych. Powietrze jest ciągłe doprowadzane przez filtry umieszczone pod sufitem i przepływa przez pomieszczenie w postaci laminarnych strumieni. Ewentualne cząstki są transportowane przez strumień powietrza i usuwane przez otwory wywiewne w dolnej części pomieszczenia.

Ludzie, przebywając w czystym pomieszczeniu, emitują znaczne ilości cząstek, dlatego skóra i włosy muszą być jak najbardziej zakryte. Osoby pracujące w czystym pomieszczeniu są również zobowiązane do unikania nagłych ruchów. Z tego samego powodu wiele urządzeń technicznych nie nadaje się do użytku w czystych pomieszczeniach, szczególnie jeśli zakłócają laminarny przepływ powietrza przez gorące powierzchnie lub silne wentylatory.

Zamknięte głowice orbitalnego spawania mogą być używane w czystych pomieszczeniach. Chociaż podczas spawania łukiem elektrycznym wydziela się znaczna ilość cząstek, w tym przypadku są one zamknięte w komorze głowicy i nie mogą zanieczyścić otaczającej atmosfery.

Zasilacze do spawania TIG generują ciepło odprowadzane przez silne wentylatory do otoczenia, dlatego nie nadają się do zastosowania w czystych pomieszczeniach. W ramach wymiany sprzętu spawalniczego na linii produkcyjnej, Dockweiler otrzymał od francuskiej firmy Polysoude zasilacze typu P4, specjalnie zaprojektowane do pracy w środowisku czystych pomieszczeń. W tym rozwiązaniu źródło prądu jest całkowicie oddzielone od reszty urządzenia spawalniczego i umieszczone poza pomieszczeniem czystym w strefie serwisowej, tylko panel sterowania i zamknięta głowica spawalnicza znajdują się w środowisku czystym (rys. 5).

Powierzchnie panelu sterowania z wbudowanym wyświetlaczem są gładkie i łatwe do czyszczenia, nie ma przełączników ani innych ruchomych części, które mogłyby gromadzić kurz lub brud. Noszenie odzieży ochronnej nie stanowi problemu dla operatora, przyciski na ekranie dotykowym można obsługiwać bez problemu w rękawicach. Podczas trwania procesu, wartości pomiarowe z systemu rejestracji danych spawalniczych są ciągle analizowane, co pozwala na monitorowanie przebiegu cyklu spawania i wszystkich kluczowych parametrów w czasie rzeczywistym poprzez graficzny interfejs człowiek-maszyna.

Programowalne i nieprogramowalne parametry spawania

Tworzenie połączenia spawalniczego jest wpływane przez wiele czynników, które ogólnie nazywa się parametrami spawania. W procesie orbitalnego spawania TIG, fachowcy z Dockweiler znają dużą liczbę takich czynników, które mogą w różnym stopniu wpływać na pomyślne wykonanie połączenia lub powodować jego niepowodzenie.

Niektóre z parametrów mają tak duży wpływ na proces, że uznaje się za oczywiste ich ustawianie lub sprawdzanie za każdym razem przed spawaniem. W metodach ręcznych spawacze regularnie regulują te parametry na podstawie elementów sterujących i wyświetlaczy na źródle prądu, natomiast w automatycznym spawaniu TIG parametry te są ustalane i programowane z góry. Właściwe parametry nazywa się parametrami programowalnymi.

W trakcie programu typowego cyklu orbitalnego spawania ustala się następujące funkcje i odpowiadające im parametry:

- Przedmuch gazu: czas przed zapaleniem łuku, podczas którego komora zamkniętej głowicy orbitalnej jest napełniana i płukana gazem ochronnym.
- Zapłon: łuk zwykle zapala się za pomocą wysokiej częstotliwościowej iskry elektrycznej.
- Prąd spawania: zazwyczaj spawa się prądem stałym pulsującym, więc należy zaprogramować czas trwania impulsu oraz wartość impulsowego i podstawowego prądu.
- Ruch obrotowy: prędkość liniowa spawania zależy od prędkości obrotowej głowicy spawalniczej i średnicy rury.
- Sekcje: aby przeciwdziałać różnym wpływom grawitacji w różnych pozycjach i rosnącej temperaturze elementu w trakcie cyklu, można programować sekcje. Na przykład, zmniejszenie energii w nowej sekcji można osiągnąć przez wydłużenie czasu podstawowego prądu w tym sektorze.
- Obniżenie prądu: nagłe wyłączenie prądu spawania może powodować powstawanie kraterów i pęknięć w spoinie, dlatego prąd jest stopniowo obniżany pod koniec spawania (Downslope).
- Przedmuch gazu po spawaniu: czas po przerwaniu łuku, podczas którego przepływ gazu ochronnego w komorze głowicy orbitalnej jest utrzymywany, aby spoiny i otaczający materiał bazowy mógł się odpowiednio schłodzić.

Po poprawnym uruchomieniu urządzenia spawalniczego, zaprogramowany cykl spawania może być wykonywany zgodnie z planem. Uruchomienie obejmuje podłączenie urządzenia do zasilania elektrycznego, gazu spawalniczego i gazu formierskiego; do głowicy spawalniczej musi być włożona elektroda wolframowa o właściwym składzie, odpowiednim kącie końcówki i dokładnej długości, a pierścienie zaciskowe muszą być dobrane i zamontowane zgodnie z zewnętrzną średnicą rur do spawania.

Po włączeniu urządzenia, źródło prądu potrzebuje czasu, aby osiągnąć temperaturę roboczą i niezawodnie regulować ustalone wartości prądu spawania; przepływ gazu spawalniczego i formierskiego musi być ustawiony ręcznie i utrzymywany do momentu, gdy rury, przewody i zawory zostaną odpowiednio wypłukane, a cały tlen z powietrza i wilgoć odparują. Wystarczająca liczba próbnych spawów powinna zapewnić, że głowica się nagrzeje, a ewentualne zanieczyszczenia wewnątrz znikną.

Teraz urządzenie jest gotowe do pracy, a produkcyjne spawanie może się rozpocząć.

Uruchomienie orbitalnej maszyny spawalniczej jest dość skomplikowane. Podczas gdy wartości parametrów programowalnych są zapisane w programie spawalniczym, instrukcje dotyczące przygotowania urządzeń oraz ustawiania i kontroli parametrów nieprogramowalnych powinny być dokładnie określone w dokumentacji spawalniczej (Welding Procedure Specification, WPS).

Orbitalne spawanie w produkcji lub na placu budowy

Urządzenia orbitalne są zaprojektowane tak, aby cykl spawania mógł być powtarzany dowolną ilość razy. Dobry wynik spawania pozostaje powtarzalny tak długo, jak warunki brzegowe są utrzymywane na stałym poziomie. Fachowcy z Dockweiler polegają na swojej szerokiej wiedzy o stosowanych metodach produkcji i starannie dbają, aby nie wprowadzić niezamierzonych zmian, które mogłyby zakłócić sprawdzony przebieg pracy. Dodatkowe urządzenia pomagają utrzymać wysoki poziom jakości spawów: poprzez jednostki oczyszczania gazu i filtry cząstek bezpośrednio przed punktem pobrania gazu ochronnego i formierskiego, które usuwają z instalacji wszelkie zanieczyszczenia i wilgoć; instrument pomiarowy zamontowany przy wylocie gazu informuje o poziomie tlenu w gazie ochronnym, co pozwala ocenić skuteczność procesu spłukiwania i zminimalizować zużycie gazu oraz czas pracy.

Podsumowując, można stwierdzić, że dzięki starannemu działaniu można zawsze uzyskać absolutnie bezbłędne i spełniające wymagania spoiny. Jednak, jak już wspomniano, dla spawalników to dopiero połowa ich zadania.

Aby w pełni wykonać swoje zadanie, specjaliści muszą jeszcze zapewnić, że komponenty dostarczone przez Dockweiler będą skutecznie zespawane przez klientów.

Łączenie łukiem elektrycznym na placu budowy jest zawsze uważane za proces krytyczny. W przeciwieństwie do fabryki, na miejscu występuje wiele warunków brzegowych, które nie mogą być w pełni kontrolowane. Zasilanie elektryczne często jest zakłócone, niestabilne lub ma znacznie przesunięty kąt fazowy. Zmienność warunków środowiskowych, takich jak duże wahania temperatury i kondensacja wilgoci, może uszkodzić urządzenia i materiały eksploatacyjne, a odpowiednia ochrona przed kurzem i brudem nie zawsze jest możliwa.

W wyniku takich niekorzystnych warunków pracy mogą wystąpić różne defekty spoin: niewłaściwa lub zbyt mocna przebicie, nieprawidłowa geometria spoiny, porowatość i pojawianie się kolorów nagrzewania, nie wspominając o tym, że mechaniczne właściwości i odporność na korozję połączeń mogą być w znacznym stopniu pogorszone.

Nieprawidłowe warunki pracy to nie jedyne źródła błędów, które mogą prowadzić do niepowodzenia spawów na stronie klienta: także niewłaściwe przygotowanie urządzeń spawalniczych, nieprofesjonalne obchodzenie się z wyposażeniem, błędy programowania, niska jakość rur i/lub materiałów eksploatacyjnych, uszkodzone urządzenia itp. często są przyczyną niespełnienia oczekiwanych rezultatów.

Gdy klient zgłasza techniczną pomoc, zostaje poproszony o szczegółowe informacje dotyczące zastosowania, używanego sprzętu i napotkanych trudności oraz wypełnienie formularza „Weldability Complaint Report” (rys. 6) dostarczonego przez Dockweiler. Eksperci spawalniczy starają się ustalić, czy personel klienta potrafi obsługiwać urządzenie spawalnicze i posiada wystarczające doświadczenie, aby wykluczyć błędne uruchomienie, nieprawidłowe podłączenie przewodów, błędne programy spawalnicze, niewłaściwe materiały, nieprawidłowe pozycjonowanie elementów i podobne błędy początkujących.

Ważne jest także ustalenie, czy problem pojawił się od początku, czy klient był już w stanie skutecznie spawać kilka połączeń. Większość błędów programowania można dość łatwo wykryć, jeśli dysponuje się programem. Firmy specjalizujące się w technice spawalniczej często inwestują znaczne środki i czas, aby zdobyć niezbędne doświadczenie i dysponować wiarygodnymi instrukcjami i programami spawalniczymi, traktując swoją wiedzę jako tajemnicę firmową, której nie można udostępniać osobom trzecim. Taki pogląd jest zrozumiały i akceptowalny, ale z pewnością nie przyczynia się do szybkiego rozwiązania konkretnych problemów spawalniczych.

Oczywiście, w Dockweiler zawsze najpierw starają się rozwiązać problemy zdalnie, ale awarie spowodowane uszkodzonymi elementami elektronicznymi, nieszczelnymi układami gazowymi, zakłóceniami pojawiającymi się w nieokreślonych odstępach czasu i innymi poważnymi problemami można często wyjaśnić tylko na miejscu. W takich przypadkach organizuje się usługi serwisowe na miejscu, w porozumieniu z odpowiednią firmą. W przypadku szczególnie skomplikowanych sytuacji, konieczne może być skonsultowanie się z producentem urządzenia. Specjaliści z Dockweiler utrzymują ścisły kontakt z różnymi firmami technicznymi w dziedzinie spawania, a serwis firmy Polysoude, ze względu na wysoką reaktywność i fachowe wsparcie, cieszy się dobrą opinią.

Bez względu na to, czy klient martwi się drobnymi nieprawidłowościami w wynikach spawania, czy boryka się z całkowitą awarią swojej technologii spawalniczej, w przeszłości specjaliści z Dockweiler zawsze zdołali znaleźć satysfakcjonujące rozwiązanie i są zdeterminowani, aby nadal dawać z siebie wszystko.

Podsumowanie

Profesjonalne wytwarzanie prefabrykowanych elementów do wysokiej czystości systemów rur ze stali nierdzewnej wymaga rygorystycznej kontroli jakości przyjętych półproduktów, wszechstronnej klasyfikacji używanych surowców pod kątem ich właściwości spawalniczych oraz, co najważniejsze, zaawansowanego technologicznie sprzętu spawalniczego. Spawanie orbitalne TIG bez dodatku materiału wypełniającego jest jednym z najbardziej odpowiednich metod łączenia cienkościennych rur, gdy wymagana jest najwyższa jakość. Francuska firma Polysoude, jako producent i dostawca zautomatyzowanych urządzeń do spawania łukowego, odgrywa wiodącą rolę na rynkach międzynarodowych i oferuje również urządzenia specjalnie przeznaczone do pracy w czystych pomieszczeniach.

Stała wysoka jakość oferowanych elementów jest nieodzownym warunkiem sprostania wysokim wymaganiom stawianym systemom rur w obszarach o wysokiej czystości, ale trwały sukces sprzedażowy osiąga się tylko wtedy, gdy klienci mogą liczyć na kompleksowe doradztwo i niezawodne wsparcie techniczne. Dotyczy to szczególnie spoin, które są wykonywane przez użytkowników w warsztacie lub na miejscu. Dockweiler zapewnia swoim klientom szeroki zakres informacji, takich jak sprawdzone parametry spawania, ale w przypadku poważniejszych problemów użytkownicy mogą również bezpośrednio kontaktować się z wykwalifikowanymi specjalistami ds. spawania firmy. Dzięki wieloletniemu doświadczeniu i często ścisłej współpracy z producentami urządzeń, udało się im w przeszłości znaleźć akceptowalne rozwiązania dla wszystkich napotkanych problemów i są zdeterminowani, aby nadal dawać z siebie wszystko.